COMPRESSORI COPELAND SCROLL

Come funziona?

Nel 1905 fu inventato e brevettato dal francese Lèon Creux.

 Lo Scroll non ha valvole, pistoni, bielle, albero a gomiti, non necessita di separatori di liquido, 

e non è rumoroso.                        

Per un uguale rapporto di compressione lo Scroll è in grado di movimentare una portata di refrigerante superiore del 50% rispetto al compressore alternativo a pistoni di pari potenza.

Due spirali evolventi si accoppiano tra di loro formando tasche di gas a forma crescente. La prima spirale rimane fissa, mentre la seconda compie un movimento orbitale rispetto alla prima. Il movimento orbitale fa sì che il gas venga aspirato all'interno e convogliato verso il centro della spirale, dove si crea una pressione del gas sempre più alta. Il gas viene quindi scaricato dalla luce situata sulla spirale fissa. 

Perché la resa degli scroll è superiore a quella degli alternativi?

I compressori scroll hanno il vantaggio rispetto ai compressori alternativi semiermetici di fornire una capacita' che rimane piu' costante al variare del rapporto di compressione e quindi al variare della temperatura di condensazione o della temperatura ambiente a condizioni di evaporazione fisse: questa caratteristica e' dovuta all’efficienza volumetrica dello scroll che rimane circa costante in quanto non e' influenzata dal volume nocivo che penalizza invece i compressori alternativi, che sarà direttamente proporzionale all'aumento del rapporto di compressione. Quindi una bassa evaporazione con un alta condensazione (alto rapporto di compressione) maggiori quantità di gas che  si riespandono nel cilindro alla discesa del pistone, con conseguente calo di efficienza/resa.

Perché sono quasi immuni dai colpi di liquido?

Il design dei compressori Scroll garantisce una adattabilità assiale e radiale (destra e sinistra, su e giù ) tra le due spirali aumentando la vita utile del compressore. Per "adattabilità" si intende la capacità delle spirali di separarsi in condizioni anomale. Questa funzione elimina il contatto che può causare la rottura. La adattabilità assiale permette alla spirale di rimanere in contatto continuo in tutte le normali condizioni di lavoro, assicurando perdite minime anche senza l'uso di guarnizioni. La adattabilità radiale permette alle due spirali di separarsi lateralmente, in modo che i detriti o il refrigerante liquido possano attraversarle, migliorando significativamente la durata e l'affidabilità. La combinazione di adattabilità assiale e adattabilità radiale permette alle spirali di migliorare le prestazioni con l’aumentare dell’utilizzo. Il contatto continuo sul fianco, mantenuto dalla forza centrifuga, riduce al minimo le perdite di gas e ottimizza l'efficienza del compressore.

Come regolare la capacita di uno scroll?

In molti sistemi di refrigerazione il carico può variare all'interno di un ampio intervallo e ciò richiede l'uso del controllo della capacità del compressore. Le tecnologie di modulazione tradizionali includono azionamenti a velocità variabile (i quali sono costosi e comportano alcuni problemi relativi alla riduzione dei giri con conseguente riduzione della lubrificazione), sistemi di scarico, by-pass di gas caldo (iniettano gas caldo in aspirazione con relativo aumento della temperatura statorica) o architettura in parallelo. Alcune di queste soluzioni comportano diversi problemi, in quanto spesso sono complicate e difficili da progettare in apparecchiature esistenti.
Copeland Compliant Scroll™, la modulazione digitale opera in base a un meccanismo semplice. Il controllo della capacità viene ottenuto separando le due spirali in senso assiale per un breve periodo di tempo. Questa semplice soluzione meccanica permette un preciso controllo della temperatura e garantisce l'efficienza del sistema.

La modulazione viene ottenuta con un tempo di ciclo basato sul controllo PWM (Pulse Width Modulation, modulazione ad ampiezza di impulsi) di un'elettrovalvola, la quale aziona un pistone montato in modo rigido sulla spirale superiore. Questo pistone è azionato dalla pressione del gas. L'elettrovalvola si apre per consentire alla piccola camera di modulazione di comunicare con l'aspirazione attraverso la tubazione esterna.

Tempo di ciclo: 20 sec Valvola attiva/aperta: 12 sec e valvola inattiva/chiusa: 8 sec Capacità risultante: 40%. (Speriamo che i nostri amici della PEGO o ELIWELL propongano presto qualche controllore dedicato a questa applicazione)

La tecnologia Digital Scroll offre una modulazione continua 10-100% senza alcuna limitazione del campo operativo. Di conseguenza, le pressioni e le temperature del sistema sono strettamente controllate. I test hanno dimostrato una variazione di temperatura di +/-0,5 K negli espositori. Una maggiore stabilità delle temperature di evaporazione assicura una minore deumidificazione degli alimenti, una minore perdita di peso e una migliore conservazione della qualità degli alimenti. L'accensione e lo spegnimento del compressore vengono ridotti al minimo, assicurando un'efficienza del sistema ottimale e una più lunga aspettativa di vita delle apparecchiature. La possibilità di utilizzo a basse temperature di condensazione fino a 10 °C.

Nota:

Pensiamo ad una macchina di condizionamento quando lavora a pompa di calore......cosa succede quando le temperature sulla batteria esterna vanno sotto zero? L' evaporazione è bassa? La condensazione la vogliamo relativamente alta? Il rapporto di compressione diventa alto? Il compressore risulta sovradimensionato quindi si rende necessario regolare questo eccesso di potenza? Ecco poniamoci queste domande....

Iniezione di vapore: 

Grazie all'impiego della tecnologia Digital Scroll che consente di effettuare delle “iniezioni” di vapore a media pressione all'interno delle spirali, questi sistemi sono in grado di ottenere elevati valori di COP con incrementi fino al 20% rispetto alla tecnologia tradizionale.

Il ciclo ad iniezione di vapore con il compressore scroll e' simile a quello di un ciclo a due stadi (normalmente usati in refrigerazione su impianti a bassissima temperatura) con interstadio di raffreddamento, ma in cui il processo viene realizzato utilizzando un unico compressore.

Ciclo:

Circuito:

 Una parte del refrigerante liquido, dal lato di alta pressione, passa attraverso una valvola di espansione e poi in uno scambiatore di calore a piastre che funziona da sottoraffreddatore. Il vapore surriscaldato e' poi iniettato ad una pressione intermedia nella spirale del compressore scroll: il sottoraffreddamento addizionale aumenta l’effetto frigorifero all'evaporatore in quanto l’entalpia al suo ingresso diminuisce.

KW-COP

Prestazioni riportate da: Copeland Europe Emerson Climate Technologies.

L’efficienza del compressore Scroll ad iniezione di vapore è superiore a quella di un compressore tradizionale Scroll perché la capacità addizionale derivante dall'iniezione di vapore è ottenuta con una minore quantità di potenza assorbita. (Il vapore viene compresso solo a partire dalla pressione intermedia che è superiore rispetto alla pressione di aspirazione) La perdita di carico sulla linea di aspirazione risulta inferiore rispetto a quella di un ciclo tradizionale in quanto la portata in aspirazione e' minore. La riduzione di questo valore può  essere significativa, essendo proporzionale al quadrato della portata: per esempio, ad una riduzione della portata del 40% corrisponde una riduzione della perdita di carico in aspirazione del 64%.

Questo sistema può  anche essere sfruttato per modulare la capacita' del compressore nel caso in cui il carico frigorifero sia basso: utilizzando una valvola solenoide e' possibile escludere il circuito di iniezione vapore riducendo cosi' la capacita' frigorifera.(risulta molto più economico di un variatore di frequenza)
Il guadagno di capacita' che si ottiene e' maggiore in percentuale all'aumentare del rapporto di compressione: questo sistema si adatta bene ad essere utilizzato con l’R404A e risulta migliore rispetto all'impiego di uno scambiatore passivo tra linea liquido ed aspirazione.

IMPIANTO A BASSA CONDENSAZIONE

Negli impianti frigoriferi a compressione di vapore si rende necessario controllare la condensazione per alimentare in modo corretto le valvole termostatiche garantendo la giusta portata di refrigerante da iniettare nell' evaporatore. Un condensatore ad aria in fase di progettazione viene dimensionato in modo da essere capace di rispondere a tutte le escursioni termiche che si presentano durante le varie stagioni (non sempre). Come è facile immaginare lo stesso condensatore quando si ritrova con aria in ingresso a 10 C° renderà molto di più di quando l'aria in ingresso sarà a 35 C°, per questo motivo molti impianti vanno in crisi di rendimento nei periodi caldi la dove le condizioni di lavoro diventano tali da avere consumi elettrici molto alti e uno scarso rendimento, tutto ciò  per l’aumento del rapporto di compressione e per la conseguente riduzione della portata di refrigerante.
Gli elevati rapporti di compressione sollecitano enormemente il compressore il quale si ritrova con temperature di fine compressione (variano in base al tipo di gas refrigerante) molto spesso a punti critici tali da alterare anche le caratteristiche chimiche e la capacità lubrificante dell' olio. 
La potenza che una macchina frigorifera produrre dipende fondamentalmente dalla quantità  di refrigerante (portata massica) che riesce a far evaporare. A monte della valvola di espansione termostatica sono cruciali due fattori : La pressione e la temperatura, le quali determinano la qualità' del refrigerante come liquido sotto raffreddato alla giusta pressione di condensazione. 

La quantità' di refrigerante che attraversa la valvola di laminazione (portata ponderale riferita al peso: massa moltiplicata per l'accelerazione gravitazionale) , dipende dalla pressione differenziale esercitata su di essa. 

La necessita' di avere prima della valvola di espansione termostatica, refrigerante allo stato liquido senza bolle di vapore, e' uno dei parametri più importati ai fini della resa, pensate che con l' 1% di flash gas prodotti nella linea del liquido fanno calare del 17% il funzionamento dell’evaporatore. 

Per liquido, si intende liquido sotto raffreddato cioè: Gradi centigradi in meno della temperatura di saturazione. 

Ogni grado centigrado di sotto raffreddamento rende l'impianto più' efficiente dello 1% circa.

( il grafico è a titolo dimostrativo con paint non è facile tracciare le linee sulle politropiche)

La portata in massa (o massica espressa in Kg/s che è differente da quella volumetrica riportata in targa dai compressori) di refrigerante dipende dal rapporto di compressione, minore e' il rapporto di compressione e maggiore sara' il volume di refrigerante spostato dal compressore. 

Quando riusciamo ad avere un basso rapporto di compressione si ha anche un basso assorbimento elettrico( constatabile da un qualunque catalogo di compressori frigoriferi) e quindi consumi più ridotti, mentre tanto più' il rapporto di compressione e' elevato tanto più  elevato sara' l’assorbimento elettrico da parte del compressore con maggiori consumi. 

Un sistema ideale che ci permettesse di lavorare a bassa pressione di condensazione, con un refrigerante ben sotto raffreddato, privo di flash gas ( e con un basso rapporto di compressione, basso assorbimento elettrico ed elevata portata di refrigerante sarebbe bellissimo non credete?  

In tutti gli impianti reali ci ritroviamo con tutta una serie di problemi che vanno dalla pendolazioni della valvola di espansione termostatica, ai problemi legati ai ritorni di olio, alle inevitabili perdite di carico e cadute di pressione dovute alla tubazione ecc..  Per ovviare a questi problemi siamo costretti ad aumentare la pressione di condensazione con proporzionale aumento della corrente assorbita da parte del compressore/i. Un sistema per risolvere questo problema e sfruttare le basse temperature di condensazione (quindi un aumento della resa frigorifera grazie ad un guadagno entalpico aggiunto) è quello riportato nello schema seguente.

Questo sistema consente di abbassare la pressione di condensazione con l’iniezione di refrigerante liquido nella linea di scarico tra il compressore ed il condensatore e compensare le perdite di carico e la caduta di pressione della tubazione del liquido, questo grazie ad una pompa  capace di innalzare la pressione (a determinati valori) del liquido in uscita dal ricevitore e' quindi rende possibile iniettare una certa quantità di liquido nella linea di scarico, tra compressore e condensatore (senza l'ausilio di una pompa sarebbe impossibile visto che a valle dal condensatore abbiamo sia una temperatura che una pressione più basse rispetto all'ingresso). 

Il refrigerante liquido, a contatto con il vapore surriscaldato espande, anticipando la fase di de surriscaldamento e condensazione, liberando spazio e superficie di scambio nel condensatore, con una notevole riduzione sia della pressione di condensazione, che dell’energia elettrica assorbita. 

Inoltre, l’aumento della superficie disponibile nel condensatore, consente un aumento del sottoraffreddamento con un salto entalpico maggiore questo torna molto utile nei periodi estivi quando i condensatori risultano quasi tutti leggermente sottodimensionati. In questa configurazione si riescono ad ottenere risparmi energetici de 25/30%.

Questo sistema lo consiglio come modifica da proporre su impianti già esistenti, per quelli nuovi si possono concepire con soluzioni diverse.

Per ulteriori informazioni contattatemi.

IMPIANTO CON VALVOLA STE (System-Three-Electronic)

Impianto classico

Questa è una configurazione classica di un impianto a temperatura ed umidità controllata con il recupero totale del calore (gas caldo)

In questa configurazione abbiamo la necessità di utilizzare i seguenti componenti:

N°1 Valvola tre vie (alcuni utilizzano due solenoidi ma io lo sconsiglio)

N°1 Valvola CPCE + LG.

N°2 Valvole di ritegno.

N°1 Valvola solenoide.

N°1 Valvola termostatica.

N°1 Ricevitore di liquido.

N°1 Separatore di liquido.

N°x Resistenze di sbrinamento.

Kg 10 gas frigorigeno.

Oggi tutti i componenti sopra descritti non sono più necessari grazie a questa valvola:

 

IMPIANTO CON VALVOLA STE (System-Three-Electronic)

 Per ulteriori informazioni contattatemi pure.